水荷載作用下渡槽結(jié)構(gòu)性態(tài)數(shù)值模擬分析

溫斯鈞，郭亞偉，朱莎莎，曹克磊

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045；2.江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223200)

0 引言

渡槽結(jié)構(gòu)是水利工程建設中常見的一種輸水建筑物，其在跨越山川、河流、峽谷等方面起著重要作用，對跨流域調(diào)水具有顯著意義。渡槽在運行期間易受水流、溫度、風等荷載作用，不同荷載作用下對渡槽結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性態(tài)會產(chǎn)生不同程度的影響，極端情況下可能會對渡槽結(jié)構(gòu)的運行安全產(chǎn)生影響。為了更好的了解運行過程中輸水量對構(gòu)性態(tài)的影響，本研究采用ANSYS大型有限元數(shù)值仿真軟件，建立渡槽結(jié)構(gòu)三維有限元模型，開展水荷載作用下渡槽結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性態(tài)分析，研究結(jié)果可為渡槽結(jié)構(gòu)的運行管理提供參考。

1 有限元仿真原理

有限元仿真原理是將結(jié)構(gòu)進行離散化，對離散化后的單元賦予屬性，并依據(jù)離散單元之間的關(guān)聯(lián)性構(gòu)建出平衡方程，求解出節(jié)點位移和應力。

2 工程概況及有限元建模

甘肅景泰川電力提灌二期工程中渡槽均為薄壁U型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，單跨渡槽的槽身長為12 m，設計水位為2.66 m。渡槽槽體采用C40混凝土，C30混凝土用于排架，基礎(chǔ)則采用C25混凝土。該工程所在區(qū)域的晝夜溫差較大，最高氣溫為37℃，最低溫度為-14℃。渡槽槽身斷面如圖1所示。

圖1 渡槽槽身結(jié)構(gòu)斷面圖

以景泰工程(甘肅景泰川電力提灌二期工程)渡槽為研究對象，采用ANSYS有限元軟件建立渡槽三維有限元模型，如圖2所示。其中考慮水荷載作用的渡槽模型則采用Solid45單元模擬，而考慮溫度荷載作用的渡槽模型則采用Solid70單元模擬，可實現(xiàn)溫度場到結(jié)構(gòu)場的轉(zhuǎn)變。為了更好的實現(xiàn)模擬計算中力的傳遞，避免應力集中現(xiàn)象，網(wǎng)格劃分均采用規(guī)則的六面體單元。

圖2 渡槽結(jié)構(gòu)性態(tài)分析有限元模型圖

3 水荷載作用下渡槽結(jié)構(gòu)性態(tài)分析

開展無水、設計水位和滿槽水位三種工況下渡槽結(jié)構(gòu)的性態(tài)特征律研究，分析不同工況下渡槽結(jié)構(gòu)的位移和應力變化規(guī)律，為渡槽結(jié)構(gòu)的運行管理提供參考。無水工況、設計水位工況和滿槽水位工況的數(shù)值模擬結(jié)果如圖3～5所示。

圖3 無水位移分布云圖

圖4 設計水位工況位移分布云圖

圖5 滿槽工況位移分布云圖

無水、設計水位、滿槽水位工況下渡槽結(jié)構(gòu)的位移變化規(guī)律如圖3～5所示。不同工況下渡槽結(jié)構(gòu)位移分布云圖的規(guī)律相似，其中X向最大位移值出現(xiàn)在槽體端部拉桿處，Y向最大位移值體現(xiàn)在槽體側(cè)壁中部區(qū)域，Z向最大位移值值集中顯現(xiàn)在槽端臨近支座處及槽體中部拉桿區(qū)域。不同工況下，隨著水位的升高X向位移呈逐漸減小的趨勢，反之，槽端處Y向和Z向的位移值則呈逐漸遞增的趨勢。由圖3和圖4可以看出，設計水位工況的位移值明顯大于工況，說明水荷載作用會對結(jié)構(gòu)性態(tài)產(chǎn)生影響，也間接說明水荷載施加的有效性。設計水位工況下X和Y向的位移值均較無水工況提高一個數(shù)量級，其中設計水位工況的豎向最大位移值為4.36 mm，比無水工況小1.92 mm；與設計水位工況相比，滿槽水位工況的位移值均大于滿槽水位，其中Z向位移增加最為顯著，最大增幅為0.69 mm，其他兩個方向均次之，X向的位移變幅最小。綜上可知，水荷載對渡槽結(jié)構(gòu)的位移影響較為顯著，在實際工程運行管理中應重視大流量調(diào)水工況下的安全監(jiān)測。

無水、設計水位、滿槽水位工況下渡槽結(jié)構(gòu)的應力變化規(guī)律如圖6～8所示。不同工況下渡槽結(jié)構(gòu)位移分布云圖的規(guī)律相似，其中無水工況和設計水位工況下渡槽結(jié)構(gòu)在槽端和槽體與支座接觸區(qū)域出現(xiàn)局部微小的拉應力集中現(xiàn)象，無水工況的拉應力最大值為2.03 MPa，較設計水位工況拉應力增加約1 MPa，實際工程運行中可通過局部加固的方式來改善應力集中現(xiàn)象；相比于無水工況和設計水位工況，滿槽工況下渡槽結(jié)構(gòu)的拉應力最大值主要體現(xiàn)在拉桿區(qū)域，最大拉應力值達到了2.13 MPa，不利于工程的運行安全，應采取相應的加固措施，以保證渡槽結(jié)構(gòu)在滿槽水位工況下的正常運行。無水、設計水位、滿槽水位工況下槽體結(jié)構(gòu)的拉應力值分別為0.68 MPa、1.33 MPa、1.38 MPa，且壓應力的分布規(guī)律基本一致。無水、設計水位、滿槽水位工況下槽體結(jié)構(gòu)的壓應力值分別為2.56 MPa、5.7 MPa、6.27 MPa，說明水荷載對渡槽結(jié)構(gòu)壓應力的影響十分顯著，且壓應力值隨水位升高而增加。

圖6 無水工況應力分布云圖

圖7 設計水位工況應力分布云圖

圖8 滿槽工況應力分布云圖

4 總結(jié)

水荷載作用下會對渡槽結(jié)構(gòu)的位移和應力產(chǎn)生顯著影響，設計水位工況的豎向最大位移值為4.36 mm，比滿槽水位工況的位移值小0.69 mm。滿槽工況下渡槽結(jié)構(gòu)的拉應力最大值主要體現(xiàn)在拉桿區(qū)域，最大拉應力值達到了2.13 MPa，不利于工程的運行安全，應采取相應的加固措施，以保證渡槽結(jié)構(gòu)在滿槽水位工況下的正常運行。無水、設計水位、滿槽水位工況下槽體結(jié)構(gòu)的壓應力值分別為2.56 MPa、5.70 MPa、6.27 MPa，說明水荷載對渡槽結(jié)構(gòu)壓應力的影響十分顯著，且壓應力值隨水位升高而增加。該研究結(jié)果可為渡槽結(jié)構(gòu)的運行管理提供參考。